CN107390761B - 一种cmos集成霍尔传感器温度补偿电路 - Google Patents

一种cmos集成霍尔传感器温度补偿电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，用于稳定CMOS集成霍尔传感器输出的霍尔电压，使之不随温度发生变化。该温度补偿电路包括基准电流源、PMOS镜像电流源、低温补偿比例电流源、高温补偿比例电流源、温度控制电路。当CMOS集成霍尔传感器内部温度高于设定温度时，随着温度增加，高温补偿比例电流源逐渐减小了流入霍尔器件有效偏置电流；当CMOS集成霍尔传感器内部温度低于设定温度时，随着温度降低，低温补偿比例电流源逐渐减小了流入霍尔器件的有效偏置电流。其温度变化范围为(‑40℃～120℃)，通过对霍尔器件的偏置电流引入随温度变化的补偿电流，使霍尔器件的偏置电流随温度的变化正好和电流灵敏度随温度的变化相反，从而使霍尔电压不随温度发生变化。

Description

一种CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路
技术领域
本发明提出一种用于CMOS集成霍尔传感器的温度补偿电路，属于磁传感器技术领域。
背景技术
霍尔磁场传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件,CMOS集成霍尔传感器因其高集成度、低成本、低功耗、高可靠性、高抗干扰能力等诸多优点，已经广泛应用在工业控制、汽车、通讯消费电子、医疗器械以及智能仪表等众多领域。我们知道CMOS集成霍尔器件输出的霍尔电压(VH)和霍尔器件的电流灵敏度(SI)、偏置电流(Ibias)和磁场的大小(B)成正比,即VH＝SI·Ibias·B。然而当偏置电流和磁场大小固定时，霍尔器件的电流灵敏度却随着温度发生变化，从而导致霍尔器件输出的霍尔电压也随着温度发生变化，从而影响了测量精度。目前有两种原因引起霍尔器件的电流灵敏度随温度发生变化。一种原因是霍尔系数和CMOS霍尔器件N阱有源区的载流子浓度随温度发生变化引起电流灵敏度随温度的漂移；另一种原因是封装应力引起的压电效应导致电流灵敏度随温度的变化，这是由于CMOS霍尔传感器封装材料如普通的塑料封装材料产生的应力随温度发生变化，从而也引起电流灵敏度随温度发生漂移。目前采用普通塑料封装的CMOS集成霍尔传感器的电流灵敏度在工业应用的温度范围(-40℃～120℃)内会发生8％左右的漂移，严重影响了CMOS霍尔传感器的工作稳定性和探测精度，因此必须采用一种温度补偿电路来稳定CMOS霍尔器件输出的霍尔电压。然而目前存在的温度补偿电路大多数是在霍尔信号放大的过程中采用电压负反馈技术来稳定输出的霍尔电压。这些在霍尔信号放大级进行温度补偿的方法不能从电流灵敏度随温度漂移的根源上补偿霍尔器件的偏置电流，使霍尔器件输出的霍尔电压不随温度发生变化，因此稳定霍尔输出电压的效果不好。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于补偿霍尔传感器偏置电流的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，该方法通过对霍尔传感器电流灵敏度随温度漂移造成的影响进行补偿，使霍尔传感器输出的霍尔电压不随温度发生变化。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，该电路包括霍尔传感器偏置电流温度补偿电路和温度控制电路两部分。霍尔传感器偏置电流温度补偿电路包括基准电流源、PMOS镜像电流源、高温补偿比例电流源、低温补偿比例电流源和2个受温度控制电路控制的MOS管开关K1和K2。根据基准电流源电流，PMOS镜像电流源产生的是一个PMOS镜像电流，为霍尔传感器提供偏置电流。当温度大于某个设定的温度时，温度控制电路输出低电平，PMOS管开关K2导通，霍尔传感器的偏置电流的大小为PMOS镜像电流源的大小减去高温补偿比例电流源的大小；当温度小于某个设定的温度时，温度控制电路输出高电平，NMOS管开关K1导通，霍尔传感器的偏置电流的大小为PMOS镜像电流源的大小减去低温补偿比例电流源的大小。
霍尔传感器偏置电流温度补偿电路结构包括如下所述：电阻Rref、NMOS管M1，M2，M3，M4和PMOS管M7，M8构成基准电流源。Rref的一端连接电源Vdd，另一端连接M1的漏极。M1的漏极和M1和M3的栅极相连接，M1的源极和M2的漏极相连接。M2的栅极和M4的栅极和漏极相连接，M2和M4的源极都接地。M3的源极和M4的漏极相连接，M3的漏极和M8的漏极和栅极相连接。M8的源极和M7的漏极和栅极连接。M7的源极接电源Vdd；PMOS管M7和M8与PMOS管M9和M10构成PMOS共源共栅镜像电流源。M9的源极接电源Vdd，M9的栅极接M7的栅极，M9的漏极接M10的源极。M10的栅极接M8的栅极，M10的漏极接霍尔传感器的端口A；NMOS管M11，M12，M13，M14和电阻Rt构成低温补偿比例电流源。M12和M14的源极接地，M12和M14的栅极共同接M12的漏极。M11的源极接M12的漏极，M11的漏极接NMOS管开关K1的源极,M11的栅极接M13的栅极和漏极。M13的源极接M14的漏极，M13的漏极接Rt的一端，Rt的另一端接电源Vdd；横向PNP管Q1和Q2，电阻R1，R2和R3构成高温补偿比例电流源。Q1的集电极接R1的一端，R1的另一端接地，Q1的发射极接PMOS管开关K2的漏极，Q1的基极接Q2的基极和集电极。Q2的集电极接R2的一端，R2的另一端接地，Q2的发射极接R3的一端，R3的另一端接电源Vdd；NMOS管开关K1和PMOS管开关K2的栅极电压接温度控制电路输出信号KT。NMOS管开关K1的漏极和PMOS管开关K2的源极接M10的漏极。以上所有NMOS管的衬底接地，所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
以上所述霍尔传感器温度补偿电路中电阻Rt为正温度系数的N阱体电阻，电阻Rref、R1、R2和R3为低温度系数的多晶硅电阻。
以上所述霍尔传感器温度补偿电路中低温补偿比例电流源的大小随温度减小而增大，通过调节N阱体电阻Rt值和M11与M13，M12与M14的沟道宽长比，控制低温补偿比例电流源输出的电流大小，由于采用共源共栅结构的PMOS镜像电流源输出的电流基本不随温度发生变化，从而使霍尔传感器的输入偏置电流随温度的减小而减小，可补偿低温时霍尔传感器电流灵敏度随温度减小而增大的特性；以上所述霍尔传感器温度补偿电路中高温补偿比例电流源大小随温度增大而增大，通过调节Q1和Q2的发射区面积，以及电阻R1和R2的比值，控制高温补偿比例电流源输出电流的大小，由于采用共源共栅结构的PMOS镜像电流源输出的电流基本不随温度发生变化，从而使霍尔传感器的输入偏置电流随温度的增大而减小，可补偿高温时霍尔传感器电流灵敏度随温度增大而增大的特性。
霍尔传感器偏置电流温度补偿电路受温度控制电路的控制，温度控制电路由温度信号检测电路、电压放大器和迟滞比较器构成。横向PNP管Q3和Q4，电阻R4，R5和R6构成温度信号检测电路。Q3的基极和集电极相连，并接地，Q3的发射极接电阻R4的一端，R4的另一端和R5的一端连接，R5的另一端接电源Vdd。Q4的基极和集电极分别接Q3的基极和地，Q4的发射极接电阻R6的一端，R6的另一端接电源Vdd；运算放大器A1，电阻R7，R8，R9和R10构成电压放大器；A2为迟滞比较器，它的反相输入端接电压放大器的输出，它的同相输入端接参考电压VREF，迟滞比较器输出控制信号KT。
有益效果：本发明所述用于补偿CMOS集成霍尔传感器电流灵敏度随温度变化的方法，相对于霍尔传感器所用的传统温度补偿方法，主要存在以下几个突出的优点：
1、本发明利用CMOS霍尔器件电流灵敏度随工作温度变化的不同，设计出高温和低温的补偿电流源电路，自动补偿CMOS霍尔器件偏置电流的大小，从而稳定CMOS霍尔器件输出的霍尔电压不随温度发生变化。
2、本发明提出的温度补偿电路和CMOS工艺完全兼容，不需要特殊的工艺，制造成本低。
3、本发明提出的温度补偿电路可同时对引起霍尔器件电流灵敏度发生变化的封装应力压电温度效应和霍尔系数及CMOS霍尔器件载流子的温度效应进行补偿，电路技术方案简单，电路易于实现。
4、本发明用于稳定CMOS集成霍尔传感器输出的霍尔电压，可以使封装后的CMOS集成霍尔传感器输出的霍尔电压不随温度发生变化。
附图说明
图1是CMOS集成霍尔器件的电流相对灵敏度随温度变化的示意图。
图2是本发明提出的CMOS集成霍尔传感器电流灵敏度温度补偿原理示意图。
图3是本发明提出的CMOS集成霍尔传感器偏置电流的温度补偿电路原理图。
图4是本发明提出的CMOS集成霍尔传感器温度控制电路原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
如图1所示的CMOS集成霍尔器件的电流相对灵敏度随温度变化示意图。可以看出当温度大于0℃后，霍尔器件的电流相对灵敏度SI/SI0随温度的升高而明显上升(其中SI表示随温度变化的电流灵敏度，SI0表示室温下的电流灵敏度)；当温度小于0℃后，霍尔传感器的电流相对灵敏度SI/SI0随温度的降低而小幅上升。根据CMOS集成霍尔器件的电流灵敏度随温度变化的关系，本发明提出的一种CMOS霍尔传感器温度补偿电路，其工作原理如图2所示。霍尔传感器偏置电流产生电路由基准电流源、PMOS镜像电流源、高温补偿比例电流源、低温补偿比例电流源和2个受温度控制电路控制的MOS管开关K1和K2组成。根据基准电流源电流，PMOS镜像电流源产生的是一个PMOS镜像电流，为霍尔传感器提供偏置电流。当温度大于某个设定的温度时，温度控制电路输出低电平，PMOS管开关K2导通，霍尔传感器的偏置电流的大小为PMOS镜像电流源的大小减去高温补偿比例电流源的大小；当温度小于某个设定的温度时，温度控制电路输出高电平，NMOS管开关K1导通，霍尔传感器的偏置电流的大小为PMOS镜像电流源的大小减去低温补偿比例电流源的大小。CMOS霍尔传感器温度补偿电路所产生的霍尔传感器的偏置电流随温度的变化与霍尔传感器电流灵敏度随温度的变化极性正好相反，根据CMOS集成霍尔传感器输出的霍尔电压(VH)和霍尔传感器的电流灵敏度(SI)、偏置电流(Ibias)和磁场的大小(B)成正比,即VH＝SI·Ibias·B，可以输出的霍尔电压不随温度发生变化。
本发明提出的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路包括霍尔传感器偏置电流温度补偿电路和温度控制电路两部分。本发明所提出的CMOS集成霍尔传感器偏置电流的温度补偿电路原理图如图3所示。电阻Rref、NMOS管M1，M2，M3，M4和PMOS管M7，M8构成基准电流源。Rref的一端连接电源Vdd，另一端连接M1的漏极。M1的漏极和M1和M3的栅极相连接，M1的源极和M2的漏极相连接。M2的栅极和M4的栅极和漏极相连接，M2和M4的源极都接地。M3的源极和M4的漏极相连接，M3的漏极和M8的漏极和栅极相连接。M8的源极和M7的漏极和栅极连接。M7的源极接电源Vdd；PMOS管M7和M8与PMOS管M9和M10构成PMOS共源共栅镜像电流源。M9的源极接电源Vdd，M9的栅极接M7的栅极，M9的漏极接M10的源极。M10的栅极接M8的栅极，M10的漏极接霍尔传感器的端口A；NMOS管M11，M12，M13，M14和电阻Rt构成低温补偿比例电流源。M12和M14的源极接地，M12和M14的栅极共同接M12的漏极。M11的源极接M12的漏极，M11的漏极接NMOS管开关K1的源极,M11的栅极接M13的栅极和漏极。M13的源极接M14的漏极，M13的漏极接Rt的一端，Rt的另一端接电源Vdd；横向PNP管Q1和Q2，电阻R1，R2和R3构成高温补偿比例电流源。Q1的集电极接R1的一端，R1的另一端接地，Q1的发射极接PMOS管开关K2的漏极，Q1的基极接Q2的基极和集电极。Q2的集电极接R2的一端，R2的另一端接地，Q2的发射极接R3的一端，R3的另一端接电源Vdd；NMOS管开关K1和PMOS管开关K2的栅极电压接温度控制电路输出信号KT。NMOS管开关K1的漏极和PMOS管开关K2的源极接M10的漏极。以上所有NMOS管的衬底接地，所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
以上所述霍尔传感器温度补偿电路中电阻Rt为正温度系数的N阱体电阻，电阻Rref、R1、R2和R3为低温度系数的多晶硅电阻。
以上所述霍尔传感器温度补偿电路中低温补偿比例电流源的大小随温度减小而增大，通过调节N阱体电阻Rt值和M11与M13，M12与M14的沟道宽长比，控制低温补偿比例电流源输出的电流大小，由于采用共源共栅结构的PMOS镜像电流源输出的电流基本不随温度发生变化，从而使霍尔传感器的输入偏置电流随温度的减小而减小，可补偿低温时霍尔传感器电流灵敏度随温度减小而增大的特性；以上所述霍尔传感器温度补偿电路中高温补偿比例电流源大小随温度增大而增大，通过调节Q1和Q2的发射区面积，以及电阻R1和R2的比值，控制高温补偿比例电流源输出电流的大小，由于采用共源共栅结构的PMOS镜像电流源输出的电流基本不随温度发生变化，从而使霍尔传感器的输入偏置电流随温度的增大而减小，可补偿高温时霍尔传感器电流灵敏度随温度增大而增大的特性。
本发明所述的霍尔传感器偏置电流温度补偿电路的温度控制电路由温度信号检测电路、电压放大器和迟滞比较器构成，其电路原理图如图4所示。横向PNP管Q3和Q4，电阻R4，R5和R6构成温度信号检测电路。Q3的基极和集电极相连，并接地，Q3的发射极接电阻R4的一端，R4的另一端和R5的一端连接，R5的另一端接电源Vdd。Q4的基极和集电极分别接Q3的基极和地，Q4的发射极接电阻R6的一端，R6的另一端接电源Vdd；运算放大器A1，电阻R7，R8，R9和R10构成电压放大器；A2为迟滞比较器，它的反相输入端接电压放大器的输出，它的同相输入端接参考电压VREF，迟滞比较器输出控制信号KT。
CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路的工作过程如下所述：当温度大于某个设定的温度T时，温度控制电路中输出信号KT为低电平，偏置电流温度补偿电路中PMOS管开关M6导通，霍尔器件的偏置电流Iin的大小为PMOS镜像电流源电流Ibias减去高温补偿比例电流源电流It-high的大小；当温度小于某个设定的温度T时，温度控制电路信号KT为高电平，NMOS管开关M5导通，霍尔器件的偏置电流Iin的大小为PMOS镜像电流源电流Ibias减去低温补偿比例电流源It-low的大小。由于CMOS霍尔器件的电流灵敏度在温度大于T时随温度的上升而减小，而在温度大于T时随温度的降低而增大。CMOS霍尔传感器温度补偿电路可补偿霍尔器件电流灵敏度随温度的变化，保证了输出的霍尔电压不随温度发生变化。

Claims (7)

1.一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述电路包括霍尔传感器偏置电流温度补偿电路和温度控制电路两部分，所述的霍尔传感器偏置电流温度补偿电路包括基准电流源、PMOS镜像电流源、高温补偿比例电流源、低温补偿比例电流源和2个受温度控制电路控制的MOS管开关K1和K2，根据基准电流源电流,PMOS镜像电流源产生的是一个PMOS镜像电流，为霍尔传感器提供偏置电流，当温度大于某个设定的温度时，温度控制电路输出低电平，PMOS管开关K2导通，霍尔传感器的偏置电流的大小为PMOS镜像电流源的大小减去高温补偿比例电流源的大小，当温度小于某个设定的温度时，温度控制电路输出高电平，NMOS管开关K1导通，霍尔传感器的偏置电流的大小为PMOS镜像电流源的大小减去低温补偿比例电流源的大小。
2.根据权利要求1所述的一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述的霍尔传感器偏置电流温度补偿电路结构包括电阻Rref、NMOS管M1，M2，M3，M4和PMOS管M7，M8构成基准电流源，Rref的一端连接电源Vdd，另一端连接M1的漏极，M1的漏极和M1和M3的栅极相连接，M1的源极和M2的漏极相连接，M2的栅极和M4的栅极和漏极相连接，M2和M4的源极都接地，M3的源极和M4的漏极相连接，M3的漏极和M8的漏极和栅极相连接，M8的源极和M7的漏极和栅极连接，M7的源极接电源Vdd；PMOS管M7和M8与PMOS管M9和M10构成PMOS共源共栅镜像电流源，M9的源极接电源Vdd，M9的栅极接M7的栅极，M9的漏极接M10的源极，M10的栅极接M8的栅极，M10的漏极接霍尔传感器的端口A；NMOS管M11，M12，M13，M14和电阻Rt构成低温补偿比例电流源，M12和M14的源极接地，M12和M14的栅极共同接M12的漏极，M11的源极接M12的漏极，M11的漏极接NMOS管开关K1的源极,M11的栅极接M13的栅极和漏极，M13的源极接M14的漏极，M13的漏极接Rt的一端，Rt的另一端接电源Vdd；横向PNP管Q1和Q2，电阻R1，R2和R3构成高温补偿比例电流源，Q1的集电极接R1的一端，R1的另一端接地，Q1的发射极接PMOS管开关K2的漏极，Q1的基极接Q2的基极和集电极，Q2的集电极接R2的一端，R2的另一端接地，Q2的发射极接R3的一端，R3的另一端接电源Vdd；NMOS管开关K1和PMOS管开关K2的栅极电压接温度控制电路输出信号KT，NMOS管开关K1的漏极和PMOS管开关K2的源极接M10的漏极。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述NMOS管的衬底接地，所述PMOS管的衬底接电源Vdd。
4.根据权利要求2所述的一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述电路中的电阻Rt为正温度系数的N阱体电阻，电阻Rref、R1、R2和R3为低温度系数的多晶硅电阻。
5.根据权利要求4所述的一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述电路中低温补偿比例电流源的大小随温度减小而增大，通过调节N阱体电阻Rt值和M11与M13，M12与M14的沟道宽长比，控制低温补偿比例电流源输出的电流大小。
6.根据权利要求4或5所述的一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述电路中的高温补偿比例电流源大小随温度增大而增大，通过调节Q1和Q2的发射区面积，以及电阻R1和R2的比值，控制高温补偿比例电流源输出电流的大小，由于采用共源共栅结构的PMOS镜像电流源输出的电流基本不随温度发生变化，从而使霍尔传感器的输入偏置电流随温度的增大而减小，能补偿高温时霍尔传感器电流灵敏度随温度增大而增大的特性。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述的霍尔传感器偏置电流温度补偿电路受温度控制电路的控制，温度控制电路由温度信号检测电路、电压放大器和迟滞比较器构成，横向PNP管Q3和Q4，电阻R4，R5和R6构成温度信号检测电路，Q3的基极和集电极相连，并接地，Q3的发射极接电阻R4的一端，R4的另一端和R5的一端连接，R5的另一端接电源Vdd，Q4的基极接Q3的基极,Q4集电极接地，Q4的发射极接电阻R6的一端，R6的另一端接电源Vdd；运算放大器A1，电阻R7，R8，R9和R10构成电压放大器，迟滞比较器的反相输入端接电压放大器的输出，它的同相输入端接参考电压VREF，迟滞比较器输出控制信号KT。
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